空间高光谱成像仪的光学设计_巩盾

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星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学设计

ＯｐｉａｓｇｆＳｃｂｏｎｅＨｉｈＲｅｏｕｔｏｙｒｐｅｔａｔｃｌＤｅｉｎｏｐａｅｒｇｓｌｉｎＨｐｅｓｅｒｌ
ＩａｅｓｗｉｈＷｉｅＦｉｌｆＶｉｗｍｇｒｔｄｅｄｏｅ
ｓｅｔｌｉｇｎｙｔｍ．ｙｔｃｎ，ｐｉｚｔｎａｄａａｙｉｇａｅｐｒｏｍｅｙＣｐｃｒｍａｉｇｓｓａｅＲａｒｉｇｏｔａｍｉａｉｎｎｌｚｎｒｅｆｒｄｂＯＤＥＶｏｗａｅＴｈａｙｅｏｓｆｒ．ｅａｌｚｄｔｎ
星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学设计
薛庆生
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春１０３）０３３
摘要：根据高分辨力、大视场的要求，考虑到市售探测器的限制，提出了视场分离分光的方法，分析了视场分离分光的原理。利用此方法设计了一个星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学系统，该系统由１．ｏ心离轴三１２远４反消像散（＾）Ｔ望远系统和２个Ｏｆｅ凸面光栅光谱成像系统组成，ｆｒｎ运用光学设计软件ＣＤＯＥＶ对高光谱成像仪
０引言
高光谱成像仪是２０世纪８代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的新一代空间光学遥感０年仪器，它是遥感技术的进步和发展，能够以高光谱分辨力获取景物和目标的超多谱段图像，陆地、大气、在和海洋观测中得到了广泛的应用。高光谱成像仪的工作波段宽、分辨力高，一般覆盖０～１ｍ，地．．４０面像元分辨力从几米至几十米，光谱分辨力从几纳米至几十纳米。目前国际上具有代表性的高光谱成像仪

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｗｈｉｃｈｓｈａｒｅｄａｍａｉｎｏｐｔｉｃｓ．Ｔｈｉｓｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｏｐｔｉｃｓ，ｓｌｉｔ，ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ，
第３５卷第７期２０１３年７月
红外技术
ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０ｌ１．３５ＮＯ．７Ｊｕｌｙ２０１３

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计
姚波，袁立银，亓洪兴，舒嵘
ｍａｋｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｍｏｒｅｃｏｍｐａｃｔ．ＰｒｉｓｍＧｒａｔｉｎｇ－Ｐｒｉｓｍ（ＰＧＰ）ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｒｅｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅａｗｉｄｅ
（中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海２００８３）
摘要：提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统，该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成，设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统，不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求，而且提高了系统的光学效率，使系统结构更加紧凑，双通道光谱仪均采用棱镜一全息透射光栅一棱镜分光组件分光，实现了宽光谱分光，提高了衍射效率，系统实现光谱范围覆盖４５０￣２５００ｎｌｎ，全视场达２３．９ｏ。关键词：光学系统设计；双通道成像光谱仪；离轴三反射；棱镜．全息透射光栅一棱镜中图分类号：ＴＨ７４４．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ８８９１（２０１３）０７ — ０４１９．０６

温度环境下空间遥感光学系统成像质量的检测

温度环境下空间遥感光学系统成像质量的检测巩盾;田铁印;王红【摘要】On the basis of the theoretical thermal optical analysis of off-axis three-mirror systems, the image quality of a space remote sensing optical system in different thermal environments was tested by using a thermal optical experiment. After the actually measured temperature was inputinto finite element model, the surface aberrations of mirrors with temperature gradients were obtained using finite element analysis software, and the surfaces with aberrations were fitted with the Zernike Polynomials. Then, Zernike coefficients were input into the optical design software, and the imaging qualities of system with difference temperature gradients were ana- lyzed. Finally, the experimental results were compared. It shows that the theoretical analysis results are in a- greement with the measured results, proving that the analysis is correct. Measured Modulation Transfer Func- tions(MTF) at Nquist frequency are 0. 247 at 18 ℃ and 0. 221 -0. 254 between 14 -21 ℃ , which meet th e requirement of image quality.%在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上，利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。

空间高光谱成像仪的光学设计

的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑，前置望远系统采用视场分离的方式设计，进一步提高了光学
系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果，光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的
Ｏｆｆｎｅｒ光栅光谱仪，实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统
ｂｙｔｗｏｐａｒｔｓ，ｆｒｏｎｔｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｆｒｏｎｔｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓｙｓｔｅｍａｎｄ
ｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｒｔｏｍｅｔｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｎａｓｓｅｍｂｌｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｏｆｆ－ａｘｉｓＴＭＡｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｕｓｅｄｂｙｆｒｏｎｔｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓｙｓｔｅｍｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｄｈ，ｉｔｍｐｒｏｖｅｉｍａｇｅｑｕｌｉａｔｙ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ．
第４３卷第２期
Ｖｏ１．４３Ｎｏ．２
红外与激光工程

高光谱成像ppt课件

•空间分辨率和光谱分辨率
由于像元凝视时间增强，空间分辨率和光谱分辨率也得到提高。
• 仪器体积
由于没有光机扫描运动设备，仪器的体积较小。
二、成像光谱仪的空间成像方式
2.推扫型成像光谱仪
不足
•视场角
由于探测器件尺寸和光学设计的困难，总视场角不可能很大，一般只能达到30度左右。
•定标
一次需要对上万个探测器元件进行定标，增加了处理负荷和不稳定因素。
光谱仪成像仪辐射计之间的关系一高光谱成像的基本概念一高光谱成像的基本概念光谱仪成像仪辐射计光谱维信息空间维信息辐射能信息光谱分辨能力二维成像能力辐射分辨能力大理石在不同观测天顶角发射率的变化情况0203040506070809101112波长um7560453015一高光谱成像的基本概念一高光谱成像的基本概念光谱仪光谱信息成像仪空间信息辐射计辐射信息成像光谱仪光谱辐射仪成像辐射仪2
仪器的视场角是仪器扫描镜在空中扫过的角度，它与系统平台高度决定了地面扫描幅宽（Ground Swath，GS）
4.仪器的视场角
line
GS = 2 . tg(FOV/2) . H
H
Ground Swath
4.仪器的视场角因此，在仪器设计时，FOV和IFOV是必须
考虑的重要参数。
• 仪器的视场角(FOV)较大，可以获得较宽的地面扫描幅宽。
1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪
• 色散型成像光谱技术出现较早，技术比较成熟。
• 入射的辐射能经过光学系统准直后，经棱镜和光栅狭缝色散，由成像系统将色散后的光能按照波长顺序成像在探测器的不同位置上。
三、成像光谱仪的光谱成像方式
1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪 • 摆扫条件下光谱色散原理

轻小型高光谱成像仪前置望远系统设计

轻小型高光谱成像仪前置望远系统设计轻小型高光谱成像仪前置望远系统设计一、引言近年来，随着综合技术的不断发展和成熟，高光谱成像技术成为了遥感等领域应用的主要手段之一。

轻小型高光谱成像仪，作为高光谱成像技术的重要设备，可以广泛应用于地球科学研究、资源勘探、环境监测、农业等领域。

与传统的各向同性成像仪相比，高光谱成像仪具有更高的光谱分辨率和更好的空间分辨率。

本文主要介绍了轻小型高光谱成像仪前置望远系统的设计，通过对不同望远镜结构的比较，确定了采用折反式望远镜结构，并采用了特殊的锥面反射镜设计，以优化系统的性能。

二、轻小型高光谱成像仪前置望远系统设计轻小型高光谱成像仪前置望远系统的主要功能是将物体载荷上的目标进行放大，并且将其成像在光谱分析单元中。

由于高光谱成像仪的空间分辨率较低，因此需要配备一套高质量的望远镜以提高成像的精度。

在望远镜结构的设计上，本设计采用了折反式望远镜结构。

相对于其他的结构形式，折反式望远镜结构具备结构简单，造价低廉，重量轻等优点。

此外，由于望远镜是空间载荷中的组成部分之一，因此在设计上需要兼顾性能和重量的优化。

由于折反式望远镜结构能够很好地实现优化的性能和重量，因此在此背景下选择折反式望远镜结构是非常明智的。

在反射镜镜面设计方面，考虑到人造卫星环境的特殊性，本设计选择了特殊的锥面反射镜设计。

通过对反射镜的设计和优化，能够非常好地实现镜面的拼接和优化。

同时，由于反射镜具有较大的结构强度和较小的重量，因此可以很好地满足空间载荷对结构强度和质量的要求。

三、实验结果与分析在实验中，本设计采用了锥面反射镜和折反式望远镜的组合，实现了对目标的高精度成像。

通过对镜面的测试和试验，本设计证实了选用锥面反射镜能够很好地实现成像，同时也证明了折反式望远镜结构的选择和优化是非常切合实际的。

四、结论本设计着重介绍了轻小型高光谱成像仪前置望远系统的设计。

本设计通过对不同的望远镜结构形式的比较，选择了折反式望远镜结构，并采用了特殊的锥面反射镜设计，以实现系统性能的优化。

【国家自然科学基金】_高光谱成像仪_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801

2009年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
科研热词阿达玛变换遥感航空遥感试验空间调制积雪寒区水文初步成果冻土光谱成像仪傅里叶变换
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年序号 1 2 3 4
科研热词遥感干涉光谱重建 fourier变换
2013年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
2013年科研热词高光谱遥感高光谱成像仪高光谱远紫外超环面光栅超光谱成像仪生物多样性温室气体污染气体水污染条带噪声去除数据模拟带宽参考波段几何像差光谱重构光谱响应函数光学设计中心波长推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
科研热词推荐指数高光谱成像仪 5 高光谱遥感 3 光学设计 3 谱线弯曲 2 色畸变 2 消色差棱镜 2 光谱学 2 光谱匹配 2 高光谱大气探测仪 1 通道模拟 1 车尔尼-特纳光谱成像系统 1 视场分离 1 自动识别 1 空间分辨力 1 离轴三反消像散 1 特征提取 1 望远系统 1 推扫式高光谱成像仪 1 成像光谱仪 1 平面光栅 1 尺度函数 1 宽波段成像仪 1 多重分形谱参数 1 原理样机 1 光谱吸收特征 1 光谱分辨力 1 像差校正 1 交叉定标 1 spectroscopy 1 spectral-line bending 1 hyperspectral imager 1 féry棱镜 1 fery棱镜 1 fery prism 1 color distortion 1 achromatized prism 1

一种高光谱成像光学系统[发明专利]

专利名称：一种高光谱成像光学系统专利类型：发明专利
发明人：方煜,吕群波,赵娜,谭政,李伟艳申请号：CN201910614645.7
申请日：20190709
公开号：CN110319932A
公开日：
20191011
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高光谱成像光学系统，所述系统包括前置望远物镜系统、平板玻璃交错双狭缝、曲面棱镜光谱仪系统和面阵探测器，前置望远镜系统构成像方远心光路，光阑位于主镜上；平板玻璃交错双狭缝采用平板玻璃光刻而成；曲面棱镜光谱仪系统采用基于Offner中继结构的曲面棱镜色散型方案；经过平板玻璃交错双狭缝的任意一条光线进入所述曲面棱镜光谱仪系统后按照波长空间分离，分离后的光束再经所述曲面棱镜光谱仪系统的曲面棱镜和球面成像系统处理后将光谱分离的光线成像到所述面阵探测器的靶面。

上述系统能够大为降低整体结构复杂性，大大降低色散型光谱成像系统的体积、质量，使结构更加紧凑、轻便，并提高系统的整体性能。

申请人：中国科学院光电研究院
地址：100080 北京市海淀区中关村东路95号
国籍：CN
代理机构：北京凯特来知识产权代理有限公司
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Abstract: The hyperspectral imaging spectrometer is a new type of load in the modern space remote sensor. The hyperspectral imaging spectrometer optical system designed in this paper has been made up by two parts, front telescope system and imaging spectrometer system. The front telescope system and imaging spectrometer was designed respectively, then assembled and optimized. Off -axis TMA structure was used by front telescope system to increase width, improve image quality, and reduce distortion. Separated fields method was applied on front telescope system for larger swath width and better image quality. Imaging spectrometer was designed by Offner structure with grating convex second mirror. Assembled system has larger swath width, smaller volume, better image quality, higher spectral resolution, and more spectral passage. The MTF of every fields and every spectrum is higher than 0.7 at Nyquist frequency, the diffusion circle of image with 80% energy is 15 μm, smaller than CCD pixel size, so the image quality reaches the technology target of system. Key words: optical design; TMA; separated fields method; offner spectrometer
MTF 加工 ×MTF 电子 ×MTF 几何
根据 Nyquist 频率下静态传递函数大于 0.2 的
第2期
巩盾等：空间高光谱成像仪的光学设计
543
技术指标计算，要求光学系统设计传递函数 Nyquist 频率下大于0.5[6-8]。
实验室静态传递函数 MTF≥0.2(Nyquist 频率)；
根据高光谱成像仪的技术指标可以计算出光学
系统参数。
(1) 光学系统的视场
光学系统的视场可以由下式计算：
0 0 0 0 2ω=2arctan
GW/2 H
=2arctan
100/2 500
=11.42°
式中：ω 为系统视场角；H为轨道高度；GW 为幅宽。
2 前置望远系统的光学设计
从光学系统设计指标可以看出：该高光谱相机光学系统是一个大视场、宽波段、高分辨率星载高光谱相机光学系统，由指向镜、前置望远系统和光谱成像系统组成。考虑到空间温度环境的复杂性与光学系统的结构紧凑性，高光谱成像仪采用反射式结构，根据目前光学设计和加工技术的进展情况，在综合考虑各种光学结构方案后，选择前置离轴三反望远系统和凸面光栅光谱仪组合的结构型式。
收稿日期：2013-06-13 ；修订日期：2013-07-03 基金项目：国家自然科学基金 (60507003) 作者简介：巩盾 (1982-) ，男，博士，副研究员，主要从事光学设计、光谱成像系统设计等方面的研究。 Email:gongdun@
高光谱相机是在成像光谱仪技术基础上发展而来的新型光谱仪器，是现代空间遥感平台的主要载荷，逐渐成为空间遥感技术发展的焦点之一。随着光学设计、光电探测器、光栅等光学元件的检测与加工技术的不断完善，空间遥感高光谱成像已经迈入实际应用阶段。
高光谱成像仪的光谱范围宽、谱段多、光谱分辨率高，成像质量好。高质量的高光谱成像仪波段宽度可以达到纳米量级，从可见光到近红外，谱段数可以达到几十至几百个，更宽的谱段范围和更高的光谱分辨率可以为遥感探测提供更加丰富的空间与光谱信息，增加资源探测的研究依据。高光谱成像仪在多种行业中发挥着关键作用，发展潜力巨大。因此，发展高光谱相机具有十分重要的意义。随着遥感技术的提高，对高光谱成像仪的空间分辨率、光谱分辨率和幅宽有了更高要求，如何在高光谱成像仪原有优点的基础上提高空间分辨率和光谱分辨率，增大幅宽成为近期研究的热点课题[1-5]。
542
红外与激光工程
第 43 卷
0引言
成像光谱仪在 20 世纪 80 年代由美国喷气推进实验室首先提出，它把成像技术与光谱技术相结合，可以同时采集地面物体的空间特征和光谱特性。光谱成像仪可以对陆地、沿海、海洋等多种环境进行精确探测，在工业、农业、制造业、医药学和遥感测绘等领域都有广泛应用。
探测器的几何传递函数 MTF 几何可有下式来表示：
0 0 0 0 MTF 几何=sinc
1 ×u ×d 2 un p
sin =
π ×u ×d 2 un p
π ×u ×d
2 un p
式中：u 为空间频率；un 为 Nyquist 频率。当 d=p 时，有
0 0 0 0 MTF 几何=sinc
1 ×u 2 un
(2) 光学系统的焦距
光学系统的焦距可由下式计算：
0 00 0 f′=
a·H GSD
=
18 μm×500 km 20 m
=450 mm
式中：f′为系统焦距；a 为像元尺寸；H 为轨道高度；
GSD 为地面像元分辨率。
(3) 光学系统的相对孔径
确定相对孔径应考虑以下两个因素：衍射分辨
为 112.5 mm。
(4) 传递函数
高光谱成像仪的实验室静态传递函数 MTF 实验室静态
主要由光学传递函数 MTF 光学和探测器的传递函数
MTF 探测器的乘积确定，即
MTF 实验室静态 =MTF 光学 ×MTF 探测器
MTF 光学由光学设计传递函数 MTF 设计和加工装
第 43 卷第 2 期 Vol.43 No.2
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2014 年 2 月 Feb.2014
空间高光谱成像仪的光学设计
巩盾，王红
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室，吉林长春 130033)
1 光学系统参数的确定
文中讨论的高光谱成像仪的技术指标主要有：轨
道高度 500 km；地面像元分辨率 20 m；幅宽 100 km；
CCD 像元尺寸 18 μm；CCD 像元数 3 072×128；谱段
范围 0.4～1 μm；光谱分辨率 6 nm；光谱通道数 100个；
率和信噪比。
为了清晰获取所需的地面像元分辨率 GSD，要
求地面像元分辨角大于由光学系统口径 D 所决定的
衍射分辨角，即 GSD/H≥λ/D，所以相机光学口径应
大于 20 mm。
为保证足够高的信噪比，并且平衡光学系统的
外形尺寸，相对孔径确定为 D/f′=1/4，光学系统ห้องสมุดไป่ตู้径
在光学设计时，分别定义离轴三反系统的 X、Y 方向视场，其中 X 方向视场为 0～5.71°和-5.71～0°，Y 方向视场为 8°和 10°。将系统设置为 ZOOM 多重结构，ZOOM1 对应 8° 、0 ～5.71° ，ZOOM2 对应 10° 、 5.71～0°，在 ZOOM2 的像面前加入一片反射镜，达到视场分离的目的。
调引起的传递函数 MTF 加工有关，即：
MTF 光学 =MTF 设计 ×MTF 加工
而探测器的传递函数 MTF 探测器由几何传递函数
MTF 几何和电子学传递函数共 MTF 电子学同决定：
MTF 探测器 =MTF 电子 ×MTF 几何
摘要：空间高光谱成像仪是现代空间遥感器的新型载荷，设计的空间高光谱成像仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统两部分组成，对前置望远系统和光谱成像系统分别设计，再进行组合优化。前置望远系统采用离轴三反结构，在增大幅宽、提高成像质量的同时减小高光谱成像仪光学系统的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑，前置望远系统采用视场分离的方式设计，进一步提高了光学系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果，光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的 Offner 光栅光谱仪，实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统幅宽大、体积小、成像质量好、光谱分辨率高、光谱通道数多，全视场全谱段 MTF 在 Nyquist 频率下高于 0.7，成像弥散圆 80%的能量集中在 Φ15 μm 范围内，小于探测器 18 μm 的像元尺寸，均高于系统技术指标要求。关键词：光学设计；离轴三反；视场分离； Offner 光谱仪中图分类号： V248.3 文献标志码： A 文章编号： 1007-2276(2014)02-0541-05